新型水煤浆喷嘴雾化性能试验研究

第25卷第22期中国电机工程学报Vol 25 No 22 Nov 20052005年11月Proceedings of the CSEE@2005 Chin.Soc. for Elec. F文章编号:0258-8013(2005220905中图分类号:TQ534文献标识码:A学科分类号:4702新型水煤浆喷嘴雾化性能试验研究于海龙,张传名2,刘建忠3,范晓伟’,周俊虎3,岑可法3(1.中原工学院能源与环境学院,河南省郑州市45000;2.汕头万丰热电有限公司,广东省汕头市51503浙江大学能源洁净利用与环境工程教育部重点实验室,浙江省杭州市310027)EXPERIMENTAL STUDY OF ATOMIZING PERFORMANCE OF A NEW TYPE NOZZLEFOR COAL WATER SLURRYYU Hai-long, ZHANG Chuagn-ming LIU Jian-zhong, FAN Xiao-wei, ZHOU Jun-hu, CEN Ke-fa(1. School of Energy Environment, Zhongyuan University of Technology; Zhengzhou 450007, HenanProvince, China; 2.Shantou Wanfeng Heat Power Ltd, Shantou 515000, China; Guangdong Province, China3. Clean Energy Environment Engineering Key Lab. of MOE, Zhejiang University, Hangzhou 310027,Zhejiang Province, China)ABSTRACT: In this paper a new type CWS nozzle for之前必须进行雾化。水煤浆雾化为细小液滴后,比gasification is developed by ourselves, and it's atomizing表面积得到极大的提高,有利于提高燃烧和气化时performance is studied experimentally. The influences of the热和质的交换速率,加快燃烧和气化过程,提高整nozzle work load and gas flow on atomizing particle体水煤浆的利用效率,增进燃烧和气化过程的稳定distribution Sauter mean diameter(SMD) and nozzle atomizing性。但是,水煤浆的特殊性质和物理组合给其自身angle are discussed carefully. the results show that there is adouble-peak distribution of atomizing particle in the flow field的雾化带来了难题。这主要表现在:①水煤浆是高of atomization, In addition SMD will decrease, the uniformity浓度的颗粒悬浮体,在喷嘴中容易发生堵塞和磨损;of atomizing particle is more bettertomi.ing quality②水煤浆是一种非牛顿流体,其流变学特性多种多improved clearly with nozzle work load decrease and the gas样,并且均具有很高的表观粘性,增加了雾化难度到目前为止对水煤浆气化喷嘴的开发仍以试验测试KEY WORDS: Thermal power engineering;cws.为主,以便给喷嘴设计提供经验指导和量化分析,Gasification; Nozzle; Experimental stud测试的主要指标为索太尔平均直径(SMD)、颗粒分布的均匀性以及雾化角。本文总结了Y型口、旋摘要:该文对自行开发出的新型水媒浆喷嘴进行了雾化性能流内混型、多级气动喷嘴4、撞击式多级雾化喷试验研究,分析了喷嘴流量(负荷)和气化剂流量等因素对雾化颗粒分布、索太尔平均直径(SMD和喷嘴雾化角的影响规嘴56等4的优点,综合开发出了一套新型多级内律。结果表明雾化流场内颗粒呈双峰分布,并且随着负荷混撞击式水煤浆气化喷嘴,并对其进行了试验研究的降低SMD减小,雾化颗粒分布更加均匀,雾化效果变好;和测试而随着气化剂流量的增加SMD降低,雾化颗粒分布均匀性2雾化试验测试系统也变好,雾化效果明显转好。雾化实验台测试系统如图1所示。雾化工质(建关键词:热能动力工程;水煤浆;气化:喷嘴:试验研究筑胶水)由螺杆泵打入,其流量由测得的一定时间1引言内的液位面下降高度计算得到。雾化工质之所以选在进行水煤浆燃烧或者气化时,水煤浆在入炉用建筑胶水,是由于在实验室条件下,若采用水煤浆直接作为雾化工质,将对实验管路造成严重的污基金项目:国家重点基础研究发展计划项目(200Acb27701)Project Supported by Special Fund of the National Priority Basic染,很难清洗,引风机、引风管等设备尤其严重Research of China(2004cb217701).而且雾化后的水煤浆无法回收再利用,而水煤浆雾中国电机工程学报第25卷化是处在高剪切速率下的,这时的水煤浆的物理性喷嘴头部各部件编号和名称见图3。在实验测试过质接近于牛顿流体,这样,建筑胶水的物理性质就程中,只需更换相应各部件,而不需要更换整攴煤与此时的水煤浆类似,虽然建筑胶水与水煤浆相比浆枪。煤影枪中心管内径为10m,壁厚为2mm,表观粘度较低,但是,建筑胶水的微观粘度却较高,中环管内径为19mm,壁厚为3mm,外环管内径为要想将其雾化到较低颗粒也比较难,这一点与水煤36mm,壁厚为3mm。喷嘴头各部件结构尺寸如表浆相近,另一方面,利用建筑胶水作为雾化工质,1。实验用各喷嘴型号和各部分结构尺寸见表2。不但可以循环利用而且清洗也非常方便,因此选择建筑胶水作为雾化工质。气化剂(空气)由空压机供给,中心管和气化剂总流量由电子差压流量计分别测量得到,并在中心管和外环管以及总管上:设有阀门控制。雾化后的工质由集浆桶回收,可循坏利用,雾化室出口出来的雾化气体经旋风分离器分离后经引风机排出。雾化室内布置有集料器,用于测量喷雾场内一定高度处的颗粒分布均匀度,集料器图3喷嘴结构示意图由3层环形布置的集料杯组成,外侧两层分别由8Fig 3 Jet nozzle configuration只集料杯按对角布置组成,最中心有一只集料杯,表1喷嘴头各部件结构尺寸表Tab. 1 Configuration of every component of jet nozzle共17只,这样每条对角线上有5只集料杯,可测量中心管唤嗜A内坏管嘴B外环管响嘴C雾化头D4组不同对角线方向上一定时间内的雾化颗粒质量内孔直外环直内孔直外坏直开孔直开孔开孔直开孔分布,测点布置如图2:颗粒分布的索太尔平均直径/mm径m径mm径/mm径/mm数目径/m数H径(SMD)由LPS2000型分体式激光粒度测量仪测2206.59013.53.58量53.512表2实验用各喷嘴型号和雾化工质以及雾化剂出口尺寸表冲洗水Tab. 2 Jet nozzle model number and configuration of every汪缩空气component of experiment屮心喷胶水喷凵直径和截积外环管喷嘴雾化头随表量雾化室旋风除尘喷嗜型号头直径内径外径截面积孔直径孔数孔直径孔数A2B2CID3 2(08.0集浆箱A2B4CID3 2.0图1雾化实验台测试系统A2B4C2. 2.0 6.0A4BSCD1 3.0Fig. I Atomization test bed systemA5B3023 4.0 7.0 9.0ABC4D507.810.0308458606A4B6C5D64实验结果和数据分析4.1雾化工质流量对雾化的影响在实际运行的水煤浆气化喷嘴中,煤浆的流量是随负荷的变化而改变的,煤浆流量的大小代表着喷嘴负荷的大小。因此,喷嘴对负荷变化的适应性是考察喷嘴性能的一个重要指标。图4中(a)、(b)分别为气压为04和06MPa时负荷变化对各喷嘴索图2雾化室内集料器测点布置图Fig. 2 Layout of collector in atomizer太尔平均直径(SMD,DsD)的影响规律。从两图3实验用喷嘴型号和各部件结构尺寸中可以看出,前4种喷嘴随负荷的降低SMD一直减小,说明其对负荷变化的适应性较强,而后3种实验中所用喷嘴设计煤浆流量为300kg/h,其喷嘴随负荷的降低分别存在一最小值,当负荷降低于海龙等:新型水煤浆喷嘴雾化性能试验研究到一定程度时SMD开始增大,说明其对负荷变化从图5中可以看出,雾化颗粒沿直径方向呈双的适应性稍差。然而,从中也可看出,后3种喷嘴峰分布,并且随负荷的增加颗粒分布均匀性变差,与前四种相比,在SMD降低范围内,其索太尔平在整个雾化的雾炬中,雾炬最中心和雾炬边缘相对均直径均较低,其雾化效果相对较好,说明喷嘴对颗粒分布较少,而在雾炬中间环形部分相对颗粒分负荷变化的适应性是以雾化效果的降低为代价的,布较多。这样就在整个雾炬的中心部分形成了一个对负荷变化适应性较强的喷嘴其雾化效果相对较相对浓度较低的流场,在气化炉中,这样的雾炬有差,而对负荷变化适应性稍差的喷嘴其雾化效果相利于将外部高温气流卷吸入雾化流场中,形成内外对较好,并且其超负荷运转能力均较强,即使在超高温气流的同时冲刷,加快了气化进程,缩短雾化负荷下其雾化效果依然很好。颗粒在炉内的停留时间,使气化炉结构更加紧凑图5中(a)、(b)分别为型号为A2B4C2D2和缩小气化炉的高、径比A4B6C5D5的两个喷嘴在气压为06MPa时,负荷对流场颗粒分布均匀度的影响规律。测点1、2、4、5位于同一测量直径上,各测点的测量值为一定时间内集料杯中所集雾化工质的质量,统计计算时取与测点同一圆环上相邻两点共3点的平均值最为d=30%该点的值。则每个测点的值占所在测量直径上5个测点和的百分比可以近似地描述该直径方向上雾化颗粒分布的均匀程度,整个流场雾化颗粒分布的均一一心30%匀程度可由4条覆盖整个流场的直径直观地看出。经大量的实验测试证明,这4条覆盖整个流场的直径方向上的颗粒分布规律基本致,可近似地认为该直径方向上的颗粒分布规律代表着整个流场。因此,本文中只列出了一条直径方向上的颗粒分布规律Dsym7二:A28C1图5负荷对流场颗粒分布均匀度的影响Fig 5 Work load change effect on evenness of atomizationrticle distribution喷嘴雾化角是考察喷嘴雾化性能的另一个指标,雾化角的大小直接影响雾化颗粒在气化炉内的分布和炉内的雾化流场,适宜的喷嘴雾化角可以形负荷%成适于气化反应的雾化流场,使气化反应达到最佳一A2H2CID状态。雾化角过大,可能导致雾炬直接冲刷炉内耐火砖,高温熔融的焦炭颗粒对耐火砖的高速冲刷会对耐火砖造成极大的腐蚀,严重影响耐火砖的使用寿命:雾化角过小可能导致雾炬过于集中,使气化火焰拉长,气化反应时间增加,颗粒需在炉内停留更长时间才能反应完全,因此需增加气化炉高度,增大了气化炉高、径比,提高了初期建设投资和耐火砖的使用量,而耐火砖要定期更换,因此又增加图4负荷变化对各喷嘴SMD的影响了运行成本。通过对该新型喷嘴的大量试验测试表Fig 4 Work load change effect on SMD明,其雾化角的大小受各工况变化的影响很小,而屮因电机工程学报第25卷与雾化头上的开孔方向直接相关,其大小与开孔方雾化介质流量=75Nm/h质流量110Nm向和喷嘴轴线夹角的2倍大体相当,变工况下其雾26~多化介质流量2Nm雾化介质洲带=140Nm/h化角变化在0~5°之间。因此,完全可以通过改变喷嘴头开孔方向来控制雾化角的大小,使其与气化炉相匹配形成最适合于气化反应的流场42雾化介质流量对雾化的影响对于具有多个喷嘴入口的单台气化炉,其单个喷嘴气化剂量和煤浆量的配比可调范围增宽,使各图7雾化介质流量对雾化颗粒分布均匀性的影响个喷嘴均能在各自负荷下达到理想的雾化效果。因Fig. 7 Gas flows effect on evenness of atomization particleistribution此,喷嘴在園定负荷下对雾化介质流量的适应性成5结论为考察喷嘴性能的又一重要指标。图6为设计工况下雾化介质流量对各喷嘴SMD的影响规律多级内混撞击式水煤浆气化喷嘴充分考虑了水从图6可以看出,随雾化介质流量的增加各喷煤浆雾化的难度,结构设计上比较合理,雾化性能嘴SMD均减小,减小的幅度各不相同,喷嘴好,在小型实验室热态气化反应装置上的应用取得了良好的效果。目前,该喷嘴还处在实验室开发和A4B6C5D6A2B2C3D3的SMD随雾化介质流量的大型化发展阶段,现场工业应用还在进行治谈中。降低变化较小,说明其对雾化介质流量变化的适应通过冷态试验研究证明,随着雾化工质流量减小或性较强,该型号的喷嘴适宜经常处于变负荷下的气气化剂流量增加,雾化颗粒平均直径(SMD将减小,化炉;喷嘴A5B4C2D4、A6B5C4D5的SMD随雾颗粒分布越均匀。雾化颗粒平均直径一般在化介质流量的降低变化最大,说明其对雾化介质流15um-180μm。喷嘴的雾化角随各工况变化不大量变化的适应性较差,但是该两种喷嘴在额定雾化雾化角的大小约为雾化头开孔方向和喷嘴中心轴线工质流量(300kg/h)和额定雾化介质流量(12Nm3/h)的夹角的2倍,可以根据喷嘴设计来控制雾化角的下其SMD均较小,雾化效果较好,表明该喷嘴适大小。这种喷嘴能适应负荷稳定以及负荷经常变化合于长期处于额定负荷工作下的气化炉,对于经常的气化炉,并且在各种工况下雾化稳定,负荷可调处于变工况运行的气化炉不宜于选用该型号的喷范围宽:并具有安装拆卸方便、使用寿命长等优点。参考文献图7为喷嘴A4B6C5D6在100%负荷时,雾化Allen jw, Flatcher T H, Techer WC et al. Atomization of coal water介质(气化剂)流量对雾化颗粒分布均匀性的影响mixtures(C). 7" Intemational Symposium of CWF Preparation and规律。从中可以看出,随雾化介质流量的增加,雾21xMa,Lpa. Comparison of the perform化颗粒分布的均匀性变好,其变化的幅度随喷嘴不ross-seetion of commercial CWF burners(C]. INtemational同而各不相同,但总体来说变化幅度不大。Symposium of CWF Preparation and Utilization, Houston, USA[3]原鲲陈丽芳,吴承康.水煤浆多级喷嘴的雾化和流动特性U燃烧科学与技术,2003,9(1):780Yuan Kunmulti-stage airblast nozzle for coal-water[]. Joumal of Combustion Science and Technology, 20039(1):77-80A4B6CSD6「4原鯤陈腼芳吴承康水煤浆多级气动喷嘴的喷雾特性研究工程热物理学报,2002,23(增刊):209212n Kun, Chen Lifang, Wu Chenkang. Study on spray characteristicsof a multi-stage airblast nozzle for coal-water slurmyfJ]. Journal of雾化介质流量/Nm3eering Thermophysics, 2002, 23(suppl): 209-212.周志军,曹欣玉,等.撞击式多级雾化水煤浆喷嘴的试验图6雾化介质流量对各喷嘴SMD的影响研究[.热力发电,2001,(3):4042Fig 6 Gas flows effect on SMDHuang Zhenyu, Zhou Zhijun, Cao Xinyu et al. 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